訪問網際網路時發生了什麼？

目錄

• 前言
• 裝置聯網
  • DHCP
• 傳送資料
  • ARP
  • DNS
• 參考文獻

前言

最近在整理網路抓包分析相關的資料，同時又在閱讀《網路是怎樣連線的》。本篇文章從網路協議對裝置連網的過程和傳送資料的過程進行探討。
在對網路進行分析時，會使用wireshark進行抓包分析。

在討論本篇文章時，假設讀者對網路協議有一定的基礎，對TCP/IP四層協議有一定的瞭解，也大致瞭解網路通訊抓包。

裝置聯網

在一個區域網內，在網路層，通過IP確定來確定資料包發往哪裡，在同一個區域網內，IP地址必須唯一。而在資料鏈路層，則通過MAC地址保證裝置的唯一。

DHCP

加入裝置剛聯網沒有設定靜態IP時，需要通過DHCP協議向DHCP伺服器獲取到一個可用的IP地址。

DHCP（動態主機配置協議）是一個區域網的網路協議。指的是由伺服器控制一段IP地址範圍，客戶機登入伺服器時就可以自動獲得伺服器分配的IP地址和子網掩碼。

在一個區域網內可以有一個或多個DHCP伺服器。比如日常家裡使用路由器上網，路由器內建了DHCP服務，當手機、平板、筆記本等裝置聯網時就會向路由器獲取一個可用的動態IP。在企業的區域網中，則通常需要部署一個DHCP伺服器或多個DHCP伺服器形成一個DHCP服務叢集用於維護區域網內的動態IP。

DHCP獲取動態IP有四個階段：發現階段（DHCP Discover）、提供階段（DHCP Offer）、選擇階段（DHCP Request）和確認階段（DHCP ACK）。

1. 由於客戶端首次連線網際網路，並不知道DHCP伺服器的地址，因此客戶端首先需要向區域網內傳送一條DHCP Disconver廣播。

當DHCP伺服器收到該請求時，就會處理請求，非DHCP伺服器收到該請求不會處理，直接丟棄。DHCP Discover網路資料包如下圖所示。

此時並沒有IP地址，所以原始IP地址為0.0.0.0，客戶端的MAC地址是95:57:02:4a:09:01。每個DHCP處理階段都會有一個會話ID，用於標記是哪次的DHCP請求。

2. 當DHCP伺服器收到請求時，會從可用的IP池中獲取一個IP，通過DHCP Offer請求返回。

由於客戶端一個網路卡只能設定一個IP。因此即使有多個DHCP服務都返回了響應，客戶端也僅會獲取第一個收到的IP進行設定。

如上圖所示，DHCP Offer向MAC地址為95:57:02:4a:09:01的客戶端返回的IP地址為192.168.137.60。

3. 由於同一個區域網內可能有多個DHCP伺服器，因此，為了告訴其他的DHCP伺服器，被使用的新的IP，客戶端會通過DHCP Request請求進行廣播告訴所有人當前客戶端選擇使用的IP地址。

這樣如果這個IP地址是當前DHCP服務分配的，該伺服器就會返回一個確認包，如果不是當前DHCP服務分配的，它就會忽略該請求。

在以前家用路由器多個路由器進行橋接時，若都提供DHCP服務功能，則分配的IP範圍不能重合，否則可能導致分配個多個裝置同樣的IP，導致裝置無法上網。實際路由器應該可以識別將DHCP Request的IP也設定為被租賃狀態，避免該IP再次被使用。不確定現在新的路由器裝置是否還會有該問題。

4. DHCP服務確認返回

在返回確認的同時，還會告知客戶端IP可使用的期限。當到達期限時，這個IP就會被DHCP回收，客戶端需要重新向DHCP伺服器申請一個新的IP。

最後當裝置設定IP時，就會傳送一個ARP探針請求的廣播，傳送該請求時，客戶端還沒有設定IP，，若區域網已有裝置使用這個IP，就會返回MAC地址。

傳送資料

ARP

現在我們的裝置已經有了IP地址，可以訪問區域網了，只要路由器有連外網，就可以將裝置的請求轉發到網際網路，也就是說我們的裝置已經可以連線網際網路了。

當我們需要訪問網際網路時，比如要訪問connectivitycheck.platform.hicloud.com，我們首先要獲取到該地址的IP。通過DNS協議可以將域名轉換為實際IP。但是在講解DNS之前，裝置必須限訪問DNS伺服器，而此時裝置剛聯網獲取到IP，並不知道DNS伺服器的地址，解析來ARP協議就發揮作用了。

ARP協議是根據IP獲取MAC地址的一個TCP/IP協議。有些人可能會奇怪，為什麼我們有了IP地址，還需要MAC地址呢？因為在通常情況下我們傳送資料到目標IP時，IP是確定的（除非NAT地址轉換），但是我們通過路由器需要轉發到下個路由器時，則需要通過修改MAC地址為下一跳的路由器的MAC地址實現資料轉發。因此在網路通訊的時候光有IP地址還不夠，我們需要獲取到裝置的MAC地址才行。

通過ARP協議傳送廣播詢問對應IP的MAC地址，所有裝置收到會校驗當前的IP，若與ARP請求的IP一致，則會將自己的MAC地址響應給對端。若不一致就會丟棄請求。當請求者獲取到ARP響應後就會把對應的IP和MAC地址儲存到自己的ARP快取種，下次請求IP時就不需要再查詢MAC地址，直接可以從快取中獲取。

當客戶端獲取到了DNS的MAC地址時，就可以向DNS傳送請求查詢域名對應的IP了。

DNS

DNS是域名系統（Domain Name System）的縮寫。DNS協議通過DNS請求查詢指定域名的地址或別名等資訊。DNS伺服器如果存在該域名，則返回查詢到的資訊，否則從上一級DNS伺服器獲取資訊，仍不存在繼續向上以及DNS伺服器獲取，直到到達根域名伺服器。當DNS伺服器從上一級DNS伺服器獲取到指定域名的查詢資訊時，DNS伺服器會將其快取起來。

當通過DNS協議查詢到域名對應IP時，請求就可以通過該IP傳送到對端。若目標IP不在當前同一子網內，因此會通過路由器或交換機等裝置進行轉發，本篇文章不對這個過程進行具體的探討。

參考文獻

1. 《網路是怎樣連線的》
2. 《Wireshark資料包分析實戰詳解》